DE3335856A1 - Exhaust turbocharger on supercharged combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
118/83118/83
29.9.83 Bo/SC29.9.83 Bo / SC
Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to an exhaust gas turbocharger according to the preamble of claim 1.
Abgasturbolader mit Nutzturbine werden entweder zur Verbesserung des spezifischen Brennstoffuerbrauchs oder zum optimalen Motorbetrieb bei stark unterschiedlichen klimatischen Bedingungen eingesetzt.Exhaust gas turbochargers with power turbines are used either to improve the specific fuel consumption or to optimal engine operation in widely differing climatic conditions.
In der Anmeldung CH 2076/82-7 ist die Massnahme beschrieben, die Düsenfläche der Laderturbine für einen bestimmten Teillastbereich zu dimensionieren, d.h. kleiner zu gestalten gegenüber der Vollastauslegung. Diese Massnahme bewirkt bei Teillast eine Anhebung des Druckes im Abgasreceiver. Hierdurch steht gerade im Teillastbereich genügend Energie an der Laderturbine zur Verfügung, um den gewünschten Ladedruck im Verdichter zu erzeugen. Die gewünschte volle Wirkung dieser Massnahme wird dabei erzielt, indem im Teillastbetrieb die Nutzturbine abgeschaltet werden kann.In the application CH 2076 / 82-7 the measure is described, To dimension the nozzle area of the turbocharger for a certain partial load range, i.e. to make it smaller compared to the full load design. This measure causes the pressure in the exhaust gas receiver to increase at partial load. This means that there is enough energy available on the turbocharger, especially in the partial load range, to generate the required Generate boost pressure in the compressor. The desired full effect of this measure is achieved by im Part-load operation the power turbine can be switched off.
Das hier beschriebene Aufladesystem mit Nutzturbine ergibt dabei einen besseren Brennstoffverbrauch auf der ganzenThe charging system described here with a power turbine results doing better fuel consumption all over the world
* . - Τ» - 118/83*. - Τ »- 118/83
Propellerkurve und ein günstigeres Teillastverhalten des Motors. Wenn die Nutzturbine bei Teillast ausser Betrieb gesetzt wird (auf/zu-Klappe in der Abgasleitung), können die Teillastbetriebswerte verbessert werden.Propeller curve and a more favorable part-load behavior of the engine. When the power turbine is out of operation at part load is set (open / close flap in the exhaust pipe) the partial load operating values are improved.
Beim Aufladesystem mit Nutzturbine bleibt die mechanische Belastung des Motors gleich. Die Temperaturen im Vollastpunkt steigen leicht an, sie können aber durch eine leichte Reduktion der Leistung wieder abgesenkt werden. Daraus ist ersichtlich, dass der aufzuladende Motor keiner Modifikation bedarf, denn selbst die Steuerzeiten sind nicht abzuändern.In the case of the turbocharging system with a power turbine, the mechanical one remains The same load on the motor. The temperatures at full load rise slightly, but they can be reduced by a slight Reduction of the power can be lowered again. It can be seen from this that the engine to be charged does not require any modification required, because even the tax times do not have to be changed.
Hierhin müssen selbstverständlich unterschiedliche Dimensionierungen der Turboladerturbine vorgenommen werden, je nachdem, ob eine Parallelschaltung oder eine Serieschaltung der Nutzturbine zur Anwendung gelangt.Of course, different dimensions must be used here of the turbocharger turbine, depending on whether a parallel connection or a series connection the power turbine is used.
Das Problem dieser Anordnung besteht darin, die potentielle Gasleistung in mechanische Leistung umzuwandeln. Die Nutzturbine, die hohe Druckverhältnisse und relativ kleine Massenströme verarbeitet, hat eine sehr hohe Drehzahl, die zwangsläufig auf einen gebräuchlichen Wert reduziert werden muss, will man ihre abgegebene Leistung für das System nutzbringend gestalten. Des weiteren ist nicht zu übersehen, dass diese Nutzturbine eine Spezialausführung ist, deren Kostenanteil zu den anderen Teilen der Anordnung unverhältnismässig hoch ist und nicht gerade für die Wahl und Ersetzbarkeit einer solchen Schaltung spricht.The problem with this arrangement is to convert the potential gas power into mechanical power. The power turbine, which processes high pressure ratios and relatively small mass flows, has a very high speed, which inevitably has to be reduced to a normal value if you want the output make it beneficial for the system. Furthermore, it cannot be overlooked that this power turbine is a special design whose cost share is disproportionately high to the other parts of the arrangement and not exactly speaks for the choice and replaceability of such a circuit.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Abgasturbolader an aufgeladenem Verbrennungsmotor der eingangs genannten Art eine kompekte, einfache und wirtschaftliche Nutzturbineneinheit anzubringen.The invention aims to provide a remedy here. The invention, as it is characterized in the claims, the task is based on supercharged in an exhaust gas turbocharger Internal combustion engine of the type mentioned is a compact, simple and economical power turbine unit to attach.
Zu diesem Zweck nimmt man einen gleichen oder baureihenkleineren Verbrennungsmotor-Turbolader mit Innenlagerung und ersetzt dessen Verdichter, Luftein- und Luftaustrittsgehäuse durch ein Getriebe. Ein mit der Turbinenwelle fest verbundenes Zahnrad greift in einen Zahnsatz von mindestens 3 (Planeten-) Rädern ein, so dass dieser Zahneingriff wie ein weiteres Wellenlager wirkt. Die weiteren Getriebestufen reduzieren die Drehzahl bis auf die gewünschten Werte und erstellen die notwendige Drehrichtung der Antriebswelle des Getriebes.For this purpose one takes an identical or a smaller one Combustion engine turbocharger with internal bearings and replaces its compressor, air inlet and outlet housing through a gearbox. A gear firmly connected to the turbine shaft engages in a set of teeth from at least 3 (planetary) gears, so that this meshing acts like another shaft bearing. The others Gear stages reduce the speed to the desired values and create the necessary direction of rotation the drive shaft of the gearbox.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass als Nutzturbine die gleiche oder eine baureihenkleinere, bereits am Verbrennungsmotor angebaute Laderturbine eingesetzt werden kann. Diese kann auch ohne nennenswerte Aenderungen mit einem Getriebe versehen werden, wobei dieses anstelle des entfernten Verdichters mit der Laderturbine zu einer Einheit integriert wird.The main advantage of the invention is to be seen in the fact that the power turbine is the same or a smaller one, turbocharger already attached to the combustion engine can be used. This can also be without significant Changes can be provided with a gearbox, this being replaced by the remote compressor with the turbocharger is integrated into one unit.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Antriebswelle der leistungsabgebenden abschaltbaren Laderturbine resp. des Getriebes über eine Fluidkupplung mit der Welle eines Verbrennungsmotorräderkastens verbunden, wodurch die Laderturbine bezüglich Torsionsschwingungen mit dem Verbrennungsmotor getrennt ist. Hierduch können auch kleine Fluchtungs- und Winkelfehler bei der Montage geschluckt werden.In a preferred embodiment of the invention, the drive shaft of the power-outputting, disconnectable charger turbine resp. the transmission is connected to the shaft of an internal combustion engine case via a fluid coupling, whereby the turbocharger is separated from the internal combustion engine with respect to torsional vibrations. Hereby can even small misalignments and angles can be swallowed during assembly.
Weiter hat die Fluidkupplung den Vorteil, dass sie bei Ausserbetriebsetzung der Laderturbine entleert werden kann, wodurch die letztere vom Verbrennungsmotor nicht weitergedreht wird.The fluid coupling also has the advantage that it is emptied when the turbocharger is shut down can, whereby the latter is not turned any further by the internal combustion engine.
Diese Lösung ist wirtschaftlich, denn der Uebertragungswirkungsgrad beträgt 96-98 %; der Brennstoffverbrauch wird dadurch minimiert.This solution is economical, because the transfer efficiency is 96-98 % ; this minimizes fuel consumption.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung treibt die Antriebswelle der leistungsabgebenden abschaltbaren Laderturbine resp. des Getriebes eine Hydropumpe an.In a further preferred embodiment of the invention, the drive shaft drives the power-emitting switchable Charger turbine resp. of the transmission to a hydraulic pump.
Dank dieser Lösung kann die Laderturbineneinheit beliebig plaziert werden. Das Drucköl wird einem Hydromotor zugeführt, der die Leistung an den Verbrennungsmotor abgibt.Thanks to this solution, the turbocharger unit can be placed anywhere. The pressure oil is fed to a hydraulic motor, which delivers the power to the internal combustion engine.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie bevorzugte erfindungsgemässe Leistungsübertragungs-Varianten schematisch dargestellt.The drawing shows an exemplary embodiment of the invention and preferred power transmission variants according to the invention shown schematically.
Es zeigt:It shows:
Fig. 1 eine Prinzipskizze mit Parallelschaltung von Turbolader und leistungsabgebender abschaltbarer Laderturbine ;1 shows a schematic diagram with a parallel connection of the turbocharger and the power-outputting turbo charger that can be switched off ;
Fig. 2 die Leistungsübertragung zwischen Laderturbine und Verbrennungsmotor mit Hilfe einer Fluidkupplung und .2 shows the power transmission between the turbocharger and the internal combustion engine with the aid of a fluid coupling and .
Fig. 3 die selbe)Leistungsübertragung mit Hilfe einer Hydropumpe.Fig. 3 the same) power transmission with the help of a Hydraulic pump.
In den Figuren sind die gleichen Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmedien ist mit Pfeilen bezeichnet. Erfindungsunwesentliche Elemente wie beispielsweise - und insbesondere in Fig. 1 - die massstabgerechte Darstellung des Turboladers und der leistungsabhängigen abschaltbaren Laderturbine sind fortgelassen.In the figures, the same elements are provided with the same reference numerals. The direction of flow the working medium is indicated by arrows. Non-essential to the invention Elements such as - and especially in Fig. 1 - the scale representation of the The turbocharger and the power-dependent, disconnectable turbocharger have been omitted.
Das in Fig. 1 dargestellte System einer Parallelschaltung besteht aus dem Verbrennungsmotor 1, der über den Verdichter 2 eines Abgasturboladers mit Druckluft versorgt wird.The system shown in Fig. 1 of a parallel connection consists of the internal combustion engine 1, which via the compressor 2 of an exhaust gas turbocharger is supplied with compressed air.
. 6.. 6th
Den Verdichterantrieb besorgt die Laderturbine 3, welche mit den Abgasen des Verbrennungsmotors 1 beaufschlagt ist. Die leistungsabgebende abschaltbare Laderturbine 31 ist eine Zwillingsturbine zu der Laderturbine 3 und gibt über das Getriebe 8 mechanische Leistung an das System ab. In der Zuströmleitung 6 zur Laderturbine 31 ist ein einfaches Absperrorgan 7 angeordnet, welches vorzugsweise bei einer vorgegebenen, einstellbaren Teillast selbsttätig schliesst.The compressor drive is provided by the turbocharger 3, to which the exhaust gases from the internal combustion engine 1 are applied. The power-emitting switchable charger turbine 3 1 is a twin turbine to the charger turbine 3 and outputs mechanical power to the system via the transmission 8. In the inflow line 6 to the turbocharger 3 1 , a simple shut-off element 7 is arranged, which preferably closes automatically at a predetermined, adjustable partial load.
Selbstverständlich kann auch eine Serieschaltung vorgesehen werden.A series connection can of course also be provided will.
Wenn dank gutem Turboladerwirkungsgrad das Spülgefälle über einem Dieselmotor 1 grosser als zur Spülung des Motors unbedingt notwendig ist, kann das Aufladesystem mit der Laderturbine 3' als Nutzturbine angewendet werden. Bei konstantem Ladedruck in der Kammer 4 wird dabei der Abgasgegendruck im Abgasreceiver 5 soweit erhöht, bis das minimal nötige Spülgefälle über dem Dieselmotor 1 erreicht ist. Durch den erhöhten Abgasgegendruck im Abgasreceiver 5 steht ein grösserer Teil der potentiellen Abgasenergie zur Verfügung. Bei gleichem Ladedruck in der Kammer 4 benötigt die Laderturbine 3 folglich nur einen Teil der verfügbaren Abgasenergie, der Rest wird in der anderen Laderturbine 3' ausgenützt. Wenn der totale Wirkungsgrad der Laderturbine 31 genügend gross ist, kann der aus dem erhöhten Gegendruck herrührenden Ladungswechselverlust mehr als kompensiert werden. Daraus ergibt sich für das ganze System ein höherer Gesamtwirkungsgrad. Um den Abgasgegendruck höher aufzustauen, muss die resultierende Turbinenfläche der Laderturbine 31 kleiner sein als im Ausgangsfall.If, thanks to good turbocharger efficiency, the flushing gradient over a diesel engine 1 is greater than is absolutely necessary for flushing the engine, the charging system with the turbocharger 3 'can be used as a power turbine. With a constant boost pressure in the chamber 4, the exhaust gas back pressure in the exhaust gas receiver 5 is increased until the minimum required scavenging gradient over the diesel engine 1 is reached. Due to the increased exhaust gas back pressure in the exhaust gas receiver 5, a larger part of the potential exhaust gas energy is available. With the same boost pressure in the chamber 4, the turbocharger 3 consequently requires only part of the available exhaust gas energy, the rest is used in the other turbocharger 3 '. If the total efficiency of the supercharger turbine 3 1 is sufficiently high, the charge exchange loss resulting from the increased back pressure can be more than compensated for. This results in a higher overall efficiency for the entire system. In order to build up the exhaust gas back pressure to a higher degree, the resulting turbine area of the supercharger turbine 3 1 must be smaller than in the initial case.
Die kleinere resultierende Düsenfläche ergibt ein günstigeres Teillastverhalten und infolgedessen mehr Ladedruck bei Propellerteillast.The smaller resulting nozzle area results in more favorable part-load behavior and, as a result, more boost pressure with propeller partial load.
Weiter hat man noch die Möglichkeit, bei Teillast die Parallel-Laderturbine 3' abzudecken resp. die nicht dar-You also have the option of covering the parallel turbocharger 3 'or. which do not show
- V- V
gestellte Serie-Laderturbine zu "bypassen". Die resultierende Turbinenfläche wird dadurch entsprechend verkleinert resp. das Enthalpiegefälle entsprechend vergrössert, was zu einem starken Ansteigen des Ladedruckes führt. Bei der Auslegung des Vollastpunktes spielt es indessen keine Rolle, ob ein Aufladesystem mit Parallel- oder Serieladerturbine zur Anwendung gelangt: Der festgelegte Abgasgegendruck bestimmt die isotrope Leistung, die man mit einer Laderturbine 3' gewinnen kann. Allgemein betrachtet gilt, dass man bei den gegebenen Randbedingungen heutiger, hochaufgeladener Motoren und den heutigen Turboladern an der leistungsabgebenden abschaltbaren Laderturbine 10-15 % der gesamten isotropen Abgasleistung erhält, was 2-3 % effektivem Motorleistungsgewinn entspricht. Diese Parallel-Laderturbine verarbeitet einen kleinen Massenstrom und ein grosses Druckverhältnis. Sie ist darum eine kleine hochdrehende Turbine, deren Drehzahl auf einen gebräuchlichen Wert reduziert werden muss. Zum dargestellten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zurückkehrend, wird zu diesem Zweck der Laderturbine 3' ein Getriebe 8 mit grossem Ueber-Setzungsverhältnis integriert. Dies geschieht zweckmässigerweise, indem man einen gleichen Dieselmotor-Turbolader 2, 3 nimmt und dessen Verdichter, Luftein- und Luftaustrittsgehäuse durch das ebengenannte Getriebe 8 ersetzt.Asked series turbocharger to "bypass". The resulting turbine area is reduced accordingly, respectively. the enthalpy gradient increases accordingly, which leads to a sharp rise in the boost pressure. When designing the full load point, however, it does not matter whether a turbocharging system with a parallel or series turbocharger is used: the specified exhaust back pressure determines the isotropic power that can be obtained with a turbocharger 3 '. Generally speaking, given the boundary conditions of today's highly charged engines and today's turbochargers, 10-15 % of the total isotropic exhaust gas output is obtained from the power-releasing switchable turbo-charger, which corresponds to 2-3% effective engine output gain. This parallel turbo charger processes a small mass flow and a large pressure ratio. It is therefore a small, high-speed turbine, the speed of which has to be reduced to a normal value. Returning to the illustrated embodiment according to FIG. 1, a gear 8 with a large transmission ratio is integrated into the turbocharger 3 'for this purpose. This is expediently done by taking the same diesel engine turbocharger 2, 3 and replacing its compressor, air inlet and air outlet housing with the aforementioned transmission 8.
Ein mit der Turbinenwelle der Laderturbine 31 fest verbundenes Zahnrad greift in einen das Getriebe 8 bildenden Zahnsatz von mindestens drei Planetenrädern ein, so dass dieser Zahneingriff wie ein weiteres Wellenlager wirkt. Das System weist beispielsgemäss somit zwei identische Laderturbinen 3, 3' auf: Einmal wird die eine mit dem Verdichter 2 ergänzt und bildet den Abgasturbolader; die andere wird hingegen mit dem Getriebe 8 ergänzt und bildet die Nutzturbine dieser Schaltung. Die Anflanschung sowohl des Verdichters 2 als auch des Getriebes 8 ist wechselseitig möglich.A gearwheel firmly connected to the turbine shaft of the supercharger turbine 3 1 engages in a set of at least three planetary gears forming the gearbox 8, so that this gear meshing acts like a further shaft bearing. The system thus has, for example, two identical turbochargers 3, 3 ': one is supplemented with the compressor 2 and forms the exhaust gas turbocharger; the other, however, is supplemented with the transmission 8 and forms the power turbine of this circuit. The flanging of both the compressor 2 and the gear 8 is alternately possible.
• S- • S-
Aus Fig. 2 ist ersichtlich, wie die Leistungsübertragung bei einer Parallel-Laderturbine 3' direkt auf den Räderkasten 13 des nicht dargestellten Verbrennungsmotors 1 bewerkstelligt werden kann.From Fig. 2 it can be seen how the power transmission in a parallel turbocharger 3 'directly to the gear case 13 of the internal combustion engine 1, not shown, can be accomplished.
Dort wo die Anbauverhältnisse es erlauben, ist es am vorteilhaftesten, die Laderturbinenleistung direkt in die Welle 11 des Motorräderkastens 13 einzugeben. Die Antriebswelle 9 des Getriebes 8 muss in diesem Fall über eine Fluidkupplung 10 mit der Welle 11 des Motorräderkastens 13 verbunden sein. Dadurch wird die Laderturbine 3' bezüglich Torsionsschwingungen vom Motor 1 getrennt und kleine Flucht- und Winkelfehler können bei Montage toleriert werden. Die Fluidkupplung 10 hat des weiteren den Vorteil, dass sie bei Ausserbetriebsetzung der Laderturbine 31 entleert werden kann, wodurch diese vom Motor 1 resp. Räderkasten 13 nicht weitergedreht wird.Where the mounting conditions allow it, it is most advantageous to input the turbocharger power directly into the shaft 11 of the motorcycle case 13. In this case, the drive shaft 9 of the transmission 8 must be connected to the shaft 11 of the motorcycle case 13 via a fluid coupling 10. As a result, the turbocharger 3 'is separated from the engine 1 with regard to torsional vibrations and small misalignments and angular errors can be tolerated during assembly. The fluid coupling 10 has the further advantage that it can be emptied when the turbo charger 3 1 is shut down, whereby it is removed from the engine 1, respectively. Gear case 13 is not turned any further.
Die Leistungsübertragung, wie in Fig. 3 dargestellt, eignet sich für Anbauverhältnisse, wo die Laderturbine 31 nicht direkt mit dem Räderkasten 13 verbunden werden kann. In diesen Fällen treibt die Laderturbine 3' über das Getriebe 8 die Hydropumpe 12 an. Das Drucköl wird einem nicht dargestellten Hydromotor zugeführt, der seine Leistung an den Verbrennungsmotor 1 abgibt.The power transmission, as shown in FIG. 3, is suitable for mounting conditions where the turbocharger 3 1 cannot be connected directly to the gear case 13. In these cases, the turbocharger 3 ′ drives the hydraulic pump 12 via the transmission 8. The pressure oil is fed to a hydraulic motor, not shown, which delivers its power to the internal combustion engine 1.
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Legal Events
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| D2 | Grant after examination | ||
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Owner name: BBC BROWN BOVERI AG, BADEN, AARGAU, CH |
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Free format text: DERZEIT KEIN VERTRETER BESTELLT |
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Free format text: LUECK, G., DIPL.-ING. DR.RER.NAT., PAT.-ANW., 79761 WALDSHUT-TIENGEN |
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